DigiKey
Avtor: Jeff Shepard, članek urednikov pri podjetju DigiKey za Severno Ameriko
Industrijski Ethernet je pomembna tehnologija, ki lahko nadomesti počasna, razdrobljena zastarela omrežja z zelo hitro, poenoteno komunikacijsko hrbtenico ter zagotovi determinizem v realnem času.
Pri uvajanju industrijskega Etherneta je treba upoštevati številne dejavnike, povezane z zanesljivo zmogljivostjo ožičenja. Ena od prvih odločitev se nanaša na razmerje med pričakovano hitrostjo omrežja in razdaljo.
Za aplikacije, ki zahtevajo pasovno širino do 100 MHz in hitrosti 1 Gbps na razdalji do 100 metrov, je potrebno ožičenje kategorije 5e. Kategorija 6 zagotavlja večjo hitrost in daljši doseg; podpira pasovno širino do 250 MHz, omogoča hitrosti 1 Gbps na razdalji do 100 metrov ter hitrosti 10 Gbps na krajših odsekih do 55 metrov.
Naslednja odločitev, ki vključuje še več svobode pri izbiri, se nanaša na to, kje in kako bo omrežje nameščeno ter kakšne bodo s tem povezane zahteve glede zmogljivosti in okoljskih pogojev. Ali aplikacija zahteva oklopljene kable? Kako je z ekstremnimi temperaturami, močnimi vibracijami in izpostavljenostjo olju, bencinu ali kemikalijam?
Ali bo kabel nameščen na prostem ali pa mora biti odobren s strani Uprave za varnost in zdravje v rudarstvu (MSHA) za uporabo v rudarstvu in zahtevnih okoljih? Kako je z zahtevami glede varnosti in zanesljivosti znotraj ali v bližini visokonapetostne opreme, kot so industrijske omarice za krmiljenje motorjev, ter z obvladovanjem ekstremnih pogojev elektromagnetnih motenj (EMI)?
Okvir za izbiro Ethernet kabla
Podjetje Belden [1] je razvilo strukturiran okvir, ki ga lahko projektanti uporabijo za razumevanje zapletenosti izbire industrijskih Ethernet kablov DataTuff [2], da bi hitro in učinkovito našli optimalno rešitev za konkretne scenarije uporabe.
Najprej je treba upoštevati zahteve glede hitrosti prenosa podatkov. Aplikacije, kot so IoT senzorji in standardne IP kamere, potrebujejo od 10 do 100 Mbps. IP kamere z visoko ločljivostjo in krmilniki, ki uporabljajo protokole, kot so EtherNet/IP, PROFINET in Modbus TCP, zahtevajo do 1 Gbps. Hrbtenični kabli z visokim prometom pogosto zahtevajo povezljivost 10 Gbps. Kadar je potrebnih do 100 Mbps, podjetje Belden priporoča 2 parici Cat 5e. Za hitrosti do 1 Gbps naj projektanti uporabijo 4 parice Cat 5e, za hitrosti do 10 Gbps pa kable Cat 6a.
Nato je potrebno jasno razumevanje upogibanja in okoljskih dejavnikov, ki jim bo moral kabel vzdržati. To določa osnovne materiale in zgradbo kabla. Na primer, v okoljih z majhnimi vibracijami znotraj omar ali nadzornih sob lahko izvedba s trdnim prevodnikom zagotovi najvišjo stalno pasovno širino.
Na mestih z zmernimi vibracijami, kot so tovarniška območja, se lahko izkažejo za koristne kabli z zgradbo »Bonded-Pair« (podrobnosti so navedene spodaj). Poleg tega potrebujejo materiale, ki so odporni proti različnim vplivom, vključno z oljem in kemikalijami, grobim ravnanjem, obrabo, večjimi temperaturnimi nihanji in elektromagnetnimi motnjami, hkrati pa še vedno zagotavljajo zanesljivo povezljivost.
Kabli, ki so neposredno priključeni na industrijske robote in druge stroje, so lahko izpostavljeni močnim vibracijam. Zaradi tega je konstrukcija z vezano parico še toliko pomembnejša.
Tretji vidik so možnosti ovojev, ki zagotavljajo potrebno raven zaščite za zanesljivo delovanje. V tem članku je predstavljenih nekaj najbolj iskanih možnosti. Celotna linija DataTuff vključuje obsežen izbor ovojev, med katerimi so:
PVC, polietilen, FEP, FRNC/LSNH, PUR ali TPE
Izvedbe za težke pogoje, z dvojnim plaščem ali z aluminijastim ojačitvami
Plašči brez halogenov ali za nizko stopnjo dima in brez halogenov
Na voljo so tudi izvedbe za zakopavanje ali uporabo na prostem, odporne proti bencinu ter za uporabo pri izjemno visokih in nizkih temperaturah
Nazadnje je v ohišju na voljo izbira med oklopljenim in neoklopljenim kablom. Serija industrijskih Ethernet kablov DataTuff ponuja več možnosti. V okoljih z majhnimi motnjami lahko neoklopljeni kabli (označeni kot U/UTP ali UTP) zagotovijo omejeno, a ustrezno odpornost proti motnjam.
Na lokacijah z zmernim nadzorom elektromagnetnih motenj (EMI) imajo kabli s folijskim oklopom (F/UTP) 100-odstotno pokritost z aluminij-poliestrskim trakom, ovitim okoli svežnja žic, skupaj s pocinkanim bakrenim odvodnim vodnikom. Kadar je potrebna največja odpornost proti visokofrekvenčnim in nizkofrekvenčnim motnjam, se lahko uporabijo kabli s kombiniranim oklopom iz pletenice in folije (SF/UTP ali folija + TC-pletenica). Združujejo notranji 100-odstotni folijski oklop z zunanjim oklopom iz pocinkane bakrene pletenice (običajno 70-odstotno pokritje) ter odvodno žico.
Prednosti vezanja
Pri večini kablov DataTuff se uporablja Beldenova patentirana konstrukcija kabla »Bonded-Pair«. Ta povezuje izolacijo prevodnikov kabelskih parov vzdolž vzdolžnih osi, da se izboljša zmogljivost povratne izgube (RL) za specifikacije, kot je ODVA za EtherNet/IP. Kabli so primerni za uporabo s protokolom CIP (Common Industrial Protocol) za izvajanje razširitev avtomatizacije, kot so CIP Safety, CIP Security in CIP Motion.
Uporaba kablov z vezanim parom v okoljih z močnimi vibracijami in upogibanjem lahko zagotovi izboljšano delovanje, vključno z ohranjanjem konstantnega in enakomernega razmika med prevodniki, kar omogoča boljše in doslednejše električno delovanje, vključno z nižjimi povratnimi izgubami (RL) in izboljšano kakovostjo signala (slika 2). Enakomerna sredica se ohrani tudi po upogibanju, zvijanju in vlečenju med namestitvijo in med delovanjem.
Dokaz o uspešnosti
Testi kablov z vezanimi pari in kablov z nevezanimi pari so pokazali prednosti pri namestitvah kategorije Cat 5e s frekvenco 350 MHz. Pri testu so simulirali vlečenje in upogibanje kablov, ki se pojavljata med običajnimi postopki namestitve. Primerjali so vrednosti povratne izgube (RL) kablov takoj po odvijanju z bobna in po postopku obremenitve med namestitvijo.
RL meri količino signala, ko se zaradi notranjih neskladij impedance odbija nazaj proti viru. Slaba vrednost RL povzroča popačenje podatkovnih tokov, poveča stopnjo napak v paketih in zmanjša splošno integriteto podatkov.
Rezultati testov so pokazali, da je pri kablu z nevezanim parom prišlo do poslabšanja RL za več kot 12 dB, medtem ko so Ethernet kabli Belden z vezanim parom pokazali le majhno ali pa sploh nobeno spremembo v zmogljivosti RL.
Izbire so dobre
Ne glede na zahteve aplikacije podjetje Belden ponuja ustrezno izbiro industrijskih Ethernet kablov DataTuff. Model 7930A [3] je na primer osnovna izvedba, ki uporablja štiri nevezane, nezaščitene prepletene pare (U/UTP) in podpira zmogljivost kategorije Cat 5e. Če izberete delno številko 7923A [4], je prav tako podprt standard Cat 5e z nezaščitenim 4-parnim kablom, ki za boljšo zmogljivost uporablja konstrukcijo vezanih parov.
Belden 7919A [5] 4-parni nevezani oklopljeni kabel kategorije 5e (F/UTP), ki ga lahko imenujemo tudi »basic plus«. Zasnovan je za okolja, ki zahtevajo dobro zaščito pred elektromagnetnimi motnjami (EMI), in ima celotno oklopno prevleko Beldfoil® s prepleteno pocinkano bakreno odvodno žico ter zunanjo ovojnico iz PVC-ja, ki je primerna za težke pogoje ter odporna proti olju in UV-sevanju. Zaradi certifikata MSHA se pogosto uporablja v rudarstvu.
Cat 6 lastnosti
Prehod na kategorijo Cat 6 omogoča večjo prepustnost podatkov in boljše dušenje šuma v standardnih omrežjih za avtomatizacijo proizvodnje. Nezaščiteni kabel kategorije Cat 6, ki ustreza kablu Cat 5e 7923A, je model 7927A [6] (za uporabo s trdnimi prevodniki) ali 7972A [7] (za uporabo s prožnimi/prepletenimi prevodniki).
Kabel Belden 7953A [8] ima enak celovit Beldfoil oklop kot model 7919A. Zagotavlja zmogljivost kategorije 6 s prepletenimi pari premera 23 AWG, notranjim PVC-ovojem in zunanjim PVC-ovojem, ki je odporen proti olju in soncu.
Več izzivov, več možnosti
Ne gre le za hitrosti prenosa podatkov; okoljski izzivi so lahko pomemben dejavnik v številnih industrijskih objektih, za kar podjetje DataTuff ponuja rešitve. Na primer, nezaščiten kabel Belden 7934A [9] kategorije Cat 5e ima zasnovo iz trdnih prevodnikov v obliki prepletenega para (UTP). Izdelan je z vodoodpornim polimernim gelom in trpežnim, soncu odpornim polietilenskim (PE) plaščem, ki je primeren za neposredno zakopavanje.
Če bo kabel nameščen na mestih, kot so zračni prostori, kjer vladajo ekstremne temperature, je izdelek s številko 7928A [10], ki zagotavlja zmogljivost kategorije Cat 5e, dobra izbira. Njegova nezaščitena izvedba vključuje konstrukcijo z vezanimi pari, notranja izolacija prevodnikov in zunanji plašč pa sta izdelana iz fluoropolimera tipa teflon (FEP), kar omogoča delovno temperaturo od -70 do +150 °C.
Za polaganje ob električnih kablih je model 7958A [11] Cat 5e različica zgoraj omenjenega kabla 7953A Cat 6. Oba modela imata vezane pare, osrednjo membrano X-Spline za izolacijo parov med seboj, notranji PVC-plašč, celotno laminirano zaščito iz aluminija Beldfoil in poliestra ter zunanji industrijski PVC-plašč. Zaradi te konfiguracije z dvojnim plaščem imata nazivno napetost 600 V za napeljavo poleg napajalnih kablov (AWM).
Poleg obsežne ponudbe industrijskih Ethernet kablov podjetja Belden ponuja DigiKey projektantom izbiro med Digi-Spool, neprekinjenimi bobni industrijskih Ethernet kablov Belden za velike inštalacije, ter odrezanimi kabli v dolžinah 150, 30 in 15 m za vzdrževanje, naknadne vgradnje in manjše inštalacije. Hitro in enostavno zaključevanje kablov je enako pomemben vidik pri uvajanju industrijskega Etherneta.
Zanesljivi, enostavni in vsestranski priključki
Zanesljivo, enostavno in vsestransko (REV) zaključevanje Ethernet kablov na terenu omogočajo Beldenovi industrijski priključki REVConnect RJ45 [12] (slika 3). Edinstvena struktura za prebijanje izolacije zagotavlja zanesljivo povezavo, odpornost na zahtevne pogoje na terenu pa zagotavlja trajno zanesljivost.
To je preprosto, saj se za pripravo in zaključevanje kablov uporablja eno samo orodje za zaključevanje. Je vsestransko, saj so na voljo modeli za Cat 5e, Cat 6 in druge standarde. Poleg tega so na voljo oklopljene in neoklopljene različice, komplet konektorjev s stopnjo zaščite IP67 [13] ter pritrdilni elementi za montažo na DIN-tirnico [14].
Zaključek
Načrtovalci industrijskih omrežij potrebujejo široko paleto robustnih in visoko zmogljivih rešitev za Ethernet kabelsko povezovanje. Industrijski Ethernet kabli DataTuff podjetja Belden zagotavljajo vse, kar načrtovalci omrežij potrebujejo za raznolike in zahtevne operativne scenarije. DigiKey ponuja kable DataTuff v različnih dolžinah, ki ustrezajo potrebam posameznih namestitev, industrijski priključki REVConnect RJ45 podjetja Belden pa lahko pospešijo namestitev in uvedbo omrežja Ethernet.
Viri:
1: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/belden
2: https://www.digikey.com/en/product-highlight/b/belden/datatuff-industrial-ethernet
3: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7930a-0101000/8120988
4: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7923a-0081000/8121796
5: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7919A-0101000/7008055
6: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7927a-0102000/8120984
7: https://www.digikey.com/en/products/filter/multiple-conductor-cables/473?s=N4IgjCBcoLQdIDGUBmBDANgZwKYBoQB7KAbXAGYBWEAXQF86CAmUkAdgE42mBBWuoA
8: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7953A-0101000/7042038
9: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7934a-0101000/8120995
10: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7928a-0101000/7042046
11: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/7958a-0102000/8121012
12: https://www.digikey.com/en/product-highlight/b/belden/revconnect-rj45-connectors
13: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/E300501-010S1/8120785
14: https://www.digikey.com/en/products/detail/belden-inc/E100K22-009S1/21453914
Priporočljivo branje:
Simplify Implementation of Single-Pair Ethernet Networking for Critical Time-Sensitive Applications
Connectivity – The Backbone of Sustainable Automation
How to Select Flat-Panel HMIs for Optimal Results in All Industrial Environments
How to Implement Hybrid Control Networks in Industrial Applications
How to Extend the Industrial Edge with SPE and PoDL
